N -связанный гликозилирование

N -связанный гликозилирование -это прикрепление олигосахарида , углеводов, состоящего из нескольких молекул сахара, иногда также называемых гликаном , к атому азота ( амидный азот азота аспарагина ( ASN) белка ) , в процессе N -Glycosylation , изученная в биохимии . [ 1 ] Полученный белок называется N-связанным гликаном или просто N-гликаном .
Этот тип связи важен для обеих структур [ 2 ] и функция [ 3 ] многих эукариотических белков. процесс N -связанный гликозилирования происходит у эукариот и широко в археи , но очень редко у бактерий . Природа N -связанных гликанов, прикрепленных к гликопротеину, определяется белком и клеткой, в которой он экспрессируется. [ 4 ] Это также варьируется по видам . Различные виды синтезируют различные типы n -связанного гликана.
Энергетика формирования облигаций
[ редактировать ]Существует два типа связей, связанных с гликопротеином: связи между остатками сахаридов в гликане и связи между цепью гликана и молекулой белка.
Сахарные фрагменты связаны друг с другом в цепи гликана через гликозидные связи . Эти связи обычно образуются между углеродами 1 и 4 молекул сахара. Образование гликозидной связи является энергетически неблагоприятно, поэтому реакция связана с гидролизом двух молекул АТФ . [ 4 ]
С другой стороны, прикрепление остатка гликана к белке требует распознавания консенсусной последовательности . N -связанные гликаны почти всегда прикрепляются к атому азота боковой цепи аспарагина (ASN), которая присутствует как часть консенсусной последовательности ASN -X -Ser / THR , где x представляет собой любую аминокислоту, кроме пролина (Pro). [ 4 ]
В клетках животных гликан, прикрепленный к аспарагину, почти неизбежно N -ацетилглюкозамин (GLCNAC) в β -конфигурации. [ 4 ] Эта β-связь аналогична гликозидной связи между сахарными фрагментами в структуре гликана, как описано выше. Вместо того, чтобы прикрепляться к гидроксильной группе сахара, аномерный атом углерода прикреплен к амидному азоту. Энергия, необходимая для этой связи, исходит от гидролиза молекулы пирофосфата . [ 4 ]
Биосинтез
[ редактировать ]
Биосинтез N -связанных гликанов происходит через три основных шага: [ 4 ]
- Синтез долихол-связанного предшественника олигосахарида
- En bloc перенос предшественника олигосахарида в белок
- Обработка олигосахарида
Синтез, перенос блока и начальная обрезка олигосахарида предшественника происходит в эндоплазматической ретикулуме (ER). Последующая обработка и модификация олигосахаридной цепи проводится в аппарате Гольджи .
Таким образом, синтез гликопротеинов пространственно разделяется в различных клеточных компартментах. Следовательно, тип синтезированного N -гликана зависит от его доступности к различным ферментам, присутствующим в этих клеточных компартментах.
Однако, несмотря на разнообразие, все N -гликаны синтезируются через общий путь со структурой гликана общего ядра. [ 4 ] Структура ядра гликана по существу состоит из двух н -ацетил глюкозамин и трех ненормальных остатков. Этот основной гликан затем разрабатывается и модифицируется дальше, что приводит к разнообразному диапазону n -гликановых структур. [ 4 ]
Синтез предшественника олигосахарида
[ редактировать ]Процесс n -связанного гликозилирования начинается с образования долихол -связанного сахара GLCNAC. Долихол - это липидная молекула, состоящая из повторяющихся изопрена единиц . Эта молекула найдена прикрепленной к мембране ER. Молекулы сахара прикрепляются к долихолу через пирофосфатную связь [ 4 ] (Один фосфат был первоначально связан с Долихолом, а второй фосфат поступил из нуклеотидного сахара). Цепь олигосахаридов затем расширяется через добавление различных молекул сахара поэтапным образом, образуя олигосахарид -предшественника.
Сборка этого олигосахарида -предшественника происходит в двух фазах: фаза I и II. [ 4 ] Фаза I происходит на цитоплазматической стороне ER, а фаза II происходит на люминальной стороне ER.
Молекула предшественника, готовая к переносу в белок, состоит из двух GLCNAC, девяти маннозы и трех глюкозы молекул .

Фаза i
| |
---|---|
Шаги |
Расположение
|
|
Цитоплазматическая сторона
|
В этот момент гликан, связанный с липидами, транслоцируется через мембрану, что делает его доступным для ферментов в просвете эндоплазматического ретикулума. Этот процесс транслокации по -прежнему плохо изучен, но предполагается, что он выполняется ферментом, известным как Flippase .
| |
Фаза II | |
|
Люминальная сторона
|
Передача гликана в белок
[ редактировать ]После того, как предшественник олигосахарид образуется, завершенный гликан передается в зарождающийся полипептид в просвете мембраны ER. Эта реакция обусловлена энергией, высвобождающейся от расщепления пирофосфатной связи между молекулой долихол-гликана. Есть три условия для выполнения до того, как гликан будет перенесен в зарождающийся полипептид: [ 4 ]
- Аспарагин должен быть расположен в определенной консенсусной последовательности в первичной структуре (ASN -X -SER или ASN -X -TTHR или в редких случаях ASN -X -CYS). [ 5 ]
- Аспарагин должен быть расположен соответствующим образом в трехмерной структуре белка (сахара представляют собой полярные молекулы и, следовательно, должны быть прикреплены к аспарагину, расположенному на поверхности белка, а не похоронен в белке)
- Аспарагин должен быть обнаружен в просветной стороне эндоплазматического ретикулума для N -связанного гликозилирования. Остатки мишени либо обнаружены в секреторных белках, либо в областях трансмембранного белка , которые сталкиваются с просветом.
Олигосакхарилтрансфераза - это фермент, ответственный за распознавание консенсусной последовательности и переноса гликана предшественника в акцептор полипептида, который транслируется в просвете эндоплазматического ретикулума. N -связанное гликозилирование, следовательно, является совместным событием
Обработка гликана
[ редактировать ]
N -гликановая обработка проводится в эндоплазматической ретикулуме и теле Гольджи. Первоначальная обрезка молекулы -предшественника происходит в ER, а последующая обработка происходит в Гольджи.
После переноса завершенного гликана на зарождающийся полипептид два остатка глюкозы удаляются из структуры. Ферменты, известные как гликозидазы, удаляют некоторые остатки сахара. Эти ферменты могут нарушать гликозидные связи с помощью молекулы воды. Эти ферменты представляют собой экзогликозидазы, так как они работают только на моносахаридных остатках, расположенных в необработанном конце гликана. [ 4 ] Считается, что этот начальный этап обрезки выступает как этап контроля качества в ER для мониторинга складывания белка .
Как только белок сложен правильно, два остатка глюкозы удаляются глюкозидазой I и II. Удаление последнего третьего остатка глюкозы сигнализирует о том, что гликопротеин готов к транспортировке от ER в цис -Гольджи. [ 4 ] ER Mannosidase катализирует удаление этой последней глюкозы. Однако, если белок не сложен должным образом, остатки глюкозы не удаляются, и поэтому гликопротеин не может покинуть эндоплазматический ретикулум. Белок шаперона ( кальнексин / кальретикулин ) связывается с развернутым или частично сложенным белком, чтобы помочь складыванию белка.
Следующий шаг включает дальнейшее добавление и удаление остатков сахара в цис-Гольджи. Эти модификации катализируются гликозилтрансферазами и гликозидазами соответственно. В цис -Гольджи серия маннозидаз удаляет некоторые или все четыре остатки маннозы в α -1,2 связях. [ 4 ] Принимая во внимание, что в медиальной части гольджи гликозилтрансферазы добавляют остатки сахара в структуру гликана ядра, что приводит к трем основным типам гликанов: высокие маннозы, гибридные и сложные гликаны.

- По сути, высокий манноза -это всего лишь два н -ацетилглюкозамина с множеством остатков маннозы, часто почти столько же, сколько и в олигосахаридах -предшественниках, прежде чем он будет прикреплен к белке.
- Сложные олигосахариды названы так, потому что они могут содержать практически любое количество других типов сахаридов, включая больше, чем два первоначальных N -ацетилглюкозамина.
- Гибридные олигосахариды содержат ненужные остатки на одной стороне ветви, а на другой стороне -ацетилглюкозамин инициирует сложную ветвь.
Порядок добавления сахаров к растущим гликановым цепям определяется субстратными спецификами ферментов и их доступом к субстрату при прохождении через секреторный путь . Таким образом, организация этого механизма внутри ячейки играет важную роль в определении того, какие гликаны производятся.
Ферменты в Гольджи
[ редактировать ]Ферменты Гольджи играют ключевую роль в определении синтеза различных типов гликанов. Порядок действия ферментов отражен в их положении в стеке Гольджи:
Ферменты | Расположение в Гольджи |
---|---|
Манносидаза i | цис -Гольджи |
GLCNAC TRANSFERASES | Медиал Гольджи |
Галактозилтрансфераза и сиалилтрансфераза | Транс -Гольджи |
В археи и прокариотах
[ редактировать ]Подобный путь биосинтеза N -Гликана был обнаружен в прокариотах и археи. [ 6 ] Однако по сравнению с эукариотами окончательная структура гликана в Eubacteria и Archaea, по -видимому, не сильно отличается от первоначального предшественника, сделанного в эндоплазматической ретикулуме. У эукариот оригинальный олигосахарид предшественника широко модифицируется на пути к клеточной поверхности. [ 4 ]
Функция
[ редактировать ]N -связанные гликаны имеют внутренние и внешние функции. [ 4 ] [ 7 ]
Внутри иммунной системы N -связанные гликаны на поверхности иммунной клетки помогут диктовать, что миграционная схема клетки, например, иммунные клетки, которые мигрируют на кожу, имеют специфические гликозилирования, которые предпочитают домашнее обучение на этом сайте. [ 8 ] Паттерны гликозилирования на различных иммуноглобулинах, включая IgE, IGM, IGD, IGA и IgG, дарят им уникальные эффекторные функции, изменяя их аффинность для FC и других иммунных рецепторов. [ 8 ] Гликаны также могут быть вовлечены в «самостоятельно» и «не самоотраскую», которая может иметь отношение к патофизиологии различных аутоиммунных заболеваний. [ 8 ]
Внутренний | |
Внешний |
|
В некоторых случаях взаимодействие между N-гликаном и белком стабилизирует белок с помощью сложных электронных эффектов. [ 11 ]
Клиническое значение
[ редактировать ]Изменения в n -связанном гликозилировании были связаны с различными заболеваниями, включая ревматоидный артрит , [ 12 ] диабет 1 типа , [ 13 ] Болезнь Крона , [ 14 ] и рак. [ 15 ] [ 16 ]
Мутации в восемнадцати генах, участвующих в N -связанном гликозилировании, приводят к различным заболеваниям, большинство из которых связаны с нервной системой . [ 3 ] [ 16 ]
Важность в терапевтических белках
[ редактировать ]Многие терапевтические белки на рынке являются антителами , которые представляют собой N -связанные гликопротеины. Например, этанерцепт , инфликсимаб и ритуксимаб являются N -гликозилированными терапевтическими белками.

Важность N -связанного гликозилирования становится все более очевидной в области фармацевтических препаратов . [ 17 ] Хотя системы производства бактериальных или дрожжевых белков имеют значительные потенциальные преимущества, такие как высокий выход и низкая стоимость, возникают проблемы, когда интересующий белок представляет собой гликопротеин. Большинство прокариотических систем экспрессии, такие как E. coli, не могут выполнять посттрансляционные модификации . С другой стороны, эукариотическая экспрессия, такие как дрожжи и клетки животных, имеют различные паттерны гликозилирования. Белки, продуцируемые в этих экспрессии -хозяевах, часто не идентичны белкам человека и, таким образом, вызывают иммуногенные реакции у пациентов. Например, S.Cerevisiae (дрожжи) часто производят гликаны с высоким уровнем маннозы, которые являются иммуногенными.
Нечеловеческие системы экспрессии млекопитающих, такие как CHO или клетки NS0, имеют механизм, необходимый для добавления сложных гликанов человека. Однако гликаны, продуцируемые в этих системах, могут отличаться от гликанов, продуцируемых у людей, так как они могут быть ограничены как N -гликолилнейраминовой кислотой (NEU5GC), так и N -ацетилнейраминовой кислотой (NEU5AC), тогда как клетки человека продуцируют только гликопротеины, содержащие N -ацетилнеураминическую кислоту. Кроме того, клетки животных также могут продуцировать гликопротеины, содержащие эпитоп галактозы-альфа-1,3-галактозы , который может вызвать серьезные аллергенные реакции, включая анафилактический шок , у людей, обладающих аллергией на альфа-гал .
Эти недостатки были рассмотрены несколькими подходами, такими как устранение путей, которые производят эти гликан -структуры с помощью генетических нокаутов. Кроме того, другие системы экспрессии были генетически спроектированы для производства терапевтических гликопротеинов с человеческими гликанами, похожими на человеку . К ним относятся дрожжи, такие как Pichia pastoris , [ 18 ] Линии клеток насекомых, зеленые растения, [ 19 ] и даже бактерии.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Гликозилирование» . Uniprot: белковая последовательность и функциональная информация .
- ^ Imperiali B, O'Connor SE (декабрь 1999 г.). «Влияние N -связанного гликозилирования на гликопептид и гликопротеиновую структуру». Современное мнение о химической биологии . 3 (6): 643–9. doi : 10.1016/s1367-5931 (99) 00021-6 . PMID 10600722 .
- ^ Jump up to: а беременный Паттерсон MC (сентябрь 2005 г.). «Метаболические мимики: расстройства n -связанного гликозилирования». Семинары по педиатрической неврологии . 12 (3): 144–51. doi : 10.1016/j.spen.2005.10.002 . PMID 16584073 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин час я Дж k л м не а п Drickamer K, Taylor Me (2006). Введение в гликобиологию (2 -е изд.). Издательство Оксфордского университета, США. ISBN 978-0-19-928278-4 .
- ^ Mellquist JL, Kasturi L, Spitalnik SL, Shakin-Eshleman SH (май 1998). «Аминокислота после последовательности ASN -X -SER/THR является важной детерминантой эффективности гликозилирования N -связанного ядра». Биохимия . 37 (19): 6833–7. doi : 10.1021/bi972217k . PMID 9578569 .
- ^ Dell A, Galadari A, Sastre F, Hitchen P (2010). «Сходства и различия в механизмах гликозилирования у прокариот и эукариот» . Международный журнал микробиологии . 2010 : 1–14. doi : 10.1155/2010/148178 . PMC 3068309 . PMID 21490701 .
- ^ Глиген. «Структивный словарь глигена гликана» . Глиген . Получено 1 апреля 2021 года .
- ^ Jump up to: а беременный в Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gersshwin ME, Patel F, Wilken R, et al. (Февраль 2015 г.). «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликана: критический обзор» . Журнал аутоиммунитета . 57 (6): 1–13. doi : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844 . PMID 25578468 .
- ^ Синклер А.М., Эллиотт С. (август 2005 г.). «GlycoEngineering: влияние гликозилирования на свойства терапевтических белков». Журнал фармацевтических наук . 94 (8): 1626–35. doi : 10.1002/jps.20319 . PMID 15959882 .
- ^ «N-гликозилирование как эукариотический защитный механизм против агрегации белка» . Наука достижения . 10 (5). 2024. doi : 10.1126/sciadv.adk8173 . PMC 10830103 .
- ^ Ardejani, Maziar S.; Noodleman, Луи; Powers, Evan T.; Келли, Джеффри В. (2021-03-15). «Стереоэлектронные эффекты при стабилизации взаимодействия белка -N -гликана, выявленные в результате эксперимента и машинного обучения» . Природная химия . 13 (5): 480–487. doi : 10.1038/s41557-021-00646-w . ISSN 1755-4349 . PMC 8102341 . PMID 33723379 .
- ^ Накагава Х., Хато М., Такегава Ю., Дегучи К, Ито Х, Такахата М. и др. (Июнь 2007 г.). «Обнаружение измененных профилей N -гликана в всей сыворотке от пациентов с ревматоидным артритом». Журнал хроматографии б . 853 (1–2): 133–7. doi : 10.1016/j.jchromb.2007.03.003 . HDL : 2115/28276 . PMID 17392038 .
- ^ Бермингем М.Л., Коломбо М., МакГурнаган С.Дж., Блэкборн Л.А., Вучкович Ф., Пучич Бакович М. и др. (Январь 2018). « N -Glycan Profile и заболевание почек при диабете 1 типа» . Уход за диабетом . 41 (1): 79–87. doi : 10.2337/dc17-1042 . HDL : 20.500.11820/413DCE5A-E852-4787-AAC9-62C2C6D4389F . PMID 29146600 .
- ^ Trbojević Akmačić I, Ventham NT, Theodoratou E, Vučković F, Kennedy NA, Kriushtić J, et al. (Июнь 2015 г.). «Воспалительное заболевание кишечника связывается с провоспалительным потенциалом иммуноглобулина Glycome» . Воспалительные заболевания кишечника . 21 (6): 1237–47. doi : 10.1097/mib.0000000000000372 . PMC 4450892 . PMID 25895110 .
- ^ Kodar K, Stadlmann J, Klaamas K, Sergeyev B, Kurtenkov O (январь 2012 г.). «Иммуноглобулин G FC N -Гликановый профилирование у пациентов с раком желудка с помощью LC-ESI-MS: отношение к прогрессированию опухоли и выживаемости». Glycoconjugate Journal . 29 (1): 57–66. doi : 10.1007/s10719-011-9364-z . PMID 22179780 . S2CID 254501034 .
- ^ Jump up to: а беременный Chen G, Wang Y, Qin X, Li H, Guo Y, Wang Y, et al. (Август 2013). «Изменение гликозилирования IgG1 FC N -связанное с помощью гликозилирования при раке легких человека: диагностический потенциал, связанный с возрастом и полом». Электрофорез . 34 (16): 2407–16. doi : 10.1002/elps.201200455 . PMID 23766031 . S2CID 11131196 .
- ^ Dalziel M, Crispin M, Scanlan CN, Zitzmann N, Dwek RA (январь 2014 г.). «Новые принципы терапевтической эксплуатации гликозилирования». Наука . 343 (6166): 1235681. DOI : 10.1126/Science.1235681 . PMID 24385630 . S2CID 206548002 .
- ^ Гамильтон С.Р., Бобрович П., Бобрович Б., Дэвидсон Р.К., Ли Х, Митчелл Т. и др. (Август 2003 г.). «Производство сложных человеческих гликопротеинов у дрожжей». Наука . 301 (5637): 1244–6. doi : 10.1126/science.1088166 . PMID 12947202 . S2CID 38981893 .
- ^ Strasser R, Altmann F, Steinkellner H (декабрь 2014 г.). «Контролируемое гликозилирование производственных растений рекомбинантных белков». Текущее мнение о биотехнологии . 30 : 95–100. doi : 10.1016/j.copbio.2014.06.008 . PMID 25000187 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- GLYCOEP : на платформе Silico для прогнозирования N -, O -и C -Гликозитов в последовательностях эукариотических белков
- Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М.Е., Патель Ф., Уилкен Р., Рейчаудхури С., Рухаак Л.Р., Лебрилла К.Б. (февраль 2015). «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликана: критический обзор» . Журнал аутоиммунитета . 57 : 1–13. doi : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844 . PMID 25578468 .